一种导管螺旋桨众目标优化设计方法

本发明涉及水下航行器推进，具体涉及一种导管螺旋桨众目标优化设计方法。

背景技术：

1、在海洋工程领域，随着人类对海洋资源的开发和海洋科学研究的不断深入，水下装备的需求日益增加，包括水下航行器、水下机器人以及其它水下装备，它们的功能涵盖了海洋科学研究、海洋资源勘探开发、海底管道布放和维护、海洋环境监测领域。在这些水下装备中，导管螺旋桨因其结构简单、制造工艺成熟、使用可靠，常作为推进装置使用。与传统单桨推进器相比，桨叶周围存在的导管结构兼顾增加推力、减少空泡以及降低噪声等作用，还对桨叶有保护作用。导管螺旋桨的性能直接影响着装备的操控能力、航行速度以及能源利用效率。因此，导管螺旋桨的设计对海洋装备具有重要的意义。

2、目前导管螺旋桨的桨叶设计大多基于升力法，该方法假设每个翼型剖面是二维的，其忽略了三维效应，且诱导速度的计算是基于简化的涡流理论，无法准确捕捉诱导速度的真实分布，因此升力法虽然可以快速获得桨叶的初步设计，但设计的桨叶精度不足。

3、因此，需要提供一种导管螺旋桨众目标优化设计方法以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种导管螺旋桨众目标优化设计方法，以解决现有的导管螺旋桨的桨叶设计大多基于升力法，该方法假设每个翼型剖面是二维的，其忽略了三维效应，且诱导速度的计算是基于简化的涡流理论，无法准确捕捉诱导速度的真实分布，因此升力法虽然可以快速获得桨叶的初步设计，但设计的桨叶精度不足的问题。

2、本发明的一种导管螺旋桨众目标优化设计方法采用如下技术方案，包括：

3、预设的多组变量，并将每组变量作为桨叶的桨毂到叶梢的不同半径处翼型截面的一组弦长参数，且桨毂到叶梢的不同半径处翼型截面的弦长参数满足先增大后减小；

4、将导管螺旋桨的性能参数作为优化目标，并将每组弦长参数作为自变量，构建关于导管螺旋桨的性能参数的目标函数，其中，性能参数包括：导管螺旋桨的推力与导管螺旋桨的效率、三维流场中桨叶表面的最小压强、桨叶的最大变形量以及桨叶的振动频率；

5、利用优化拉丁超立方采样生成导管螺旋桨的一组目标弦长参数，并将一组目标弦长参数作为初始样本输入目标函数得到初始样本对应的多个目标函数值；

6、基于sdr支配关系对初始样本对应的所有目标函数值进行非支配排序，得到各个样本点的支配等级，根据样本点的支配等级建立从样本点到支配等级的预测模型，并为每个性能参数构建对应的代理模型；

7、利用优化拉丁超立方采样算法重新生成多组初始弦长参数，将每组初始弦长参数作为一个初始种群，根据每个初始种群以及每个性能参数对应的代理模型分别利用三种进化算法在预设的弦长分布范围内对每个性能参数进行寻优，迭代结束后，获取每个初始种群在三种进化算法下生成的对应种群，并将三个种群合并得到每个初始种群对应的最终种群；

8、根据支配关系对每个最终种群的个体进行非支配排序得到第一支配等级序列，根据预测模型预测每个最终种群的个体的第二支配等级序列；根据每个最终种群对应的第一支配等级序列和第二支配等级序列获取最终样本并形成最终样本库；

9、根据最终样本库中的样本点数量预设的数量阈值，获取满足支配关系的最优样本点，将最优样本点对应的弦长参数作为导管螺旋桨的最优弦长参数。

10、优选地，获取性能参数的步骤为：

11、构建导管螺旋桨模型以及流域模型；

12、对导管螺旋桨模型的桨叶旋转域以及外流域进行网格划分；

13、使用fluent对桨叶旋转域以及外流域的流场进行求解，得到导管螺旋桨的推力与导管螺旋桨的效率；

14、提取流场求解结果中桨叶表面的最小压强；

15、对流场求解结果中桨叶表面的压力进行有限元求解，得到桨叶的最大变形量；

16、对桨叶进行模态分析，获取桨叶的一阶模态频率、二阶模态频率、三阶模态频率；

17、根据桨叶的一阶模态频率、二阶模态频率、三阶模态频率获取桨叶的振动频率。

18、优选地，构建导管螺旋桨模型以及流域模型的步骤为：

19、根据经典轴流泵环量曲线，获取桨叶的不同半径处翼型截面的环量值；

20、根据桨叶的不同半径处翼型截面的弦长和环量值，并利用叶栅修正公式，得到不同半径处翼型截面的螺距角；

21、根据不同半径处翼型截面的螺距角、弦长，并利用螺旋桨坐标转换公式得到螺旋桨的型值点坐标；

22、将所有翼型截面的初始点以及结束点连接起来，生成螺旋桨叶片的导边以及随边，将型值点坐标输入三维建模软件，通过放样以及旋转命令完成螺旋桨叶片以及导管的建模得到导管螺旋桨模型；

23、根据导管螺旋桨模型生成流域模型。

24、优选地，其特征在于，桨叶的振动频率的表达式为：

25、

26、式中，表示桨叶的振动频率；表示桨叶的一阶模态频率；表示桨叶的二阶模态频率；表示桨叶的三阶模态频率。

27、优选地，关于导管螺旋桨的性能参数的目标函数的表达式为：

28、

29、式中，为预设的一组变量；为预设的弦长分布范围；表示推进器的推力；表示推进器的效率；表示三维流场中桨叶表面的最小压强；为桨叶的最大变形量，为桨叶的振动频率。

30、优选地，根据每个最终种群对应的第一支配等级序列和第二支配等级序列获取最终样本的步骤为：

31、获取第一支配等级序列和第二支配等级序列对应个体的支配等级的和值，以及支配等级的差值绝对值；

32、根据最终种群中每个个体对应的支配等级的和值以及差值绝对值，并基于帕累托支配关系的非支配排序获取最终种群中个体的最终支配等级序列；

33、将最终支配等级序列中最低支配等级值对应的个体作为最终样本的个体。

34、优选地，根据最终样本库中的样本点数量预设的数量阈值，获取满足支配关系的最优样本点的步骤为：

35、若最终样本库中的样本点数量等于预设的数量阈值，则将最终样本库中的样本点作为满足支配关系的最优样本点；

36、若最终样本库中的样本点数量小于预设的数量阈值，则重新依次获取最终种群，并将最终种群对应的最终支配等级序列中最低支配等级值对应的个体加入至最终样本库中，直至最终样本库中的样本点数量等于预设的数量阈值，则将最终样本库中的样本点作为满足支配关系的最优样本点。

37、优选地，根据预测模型预测每个最终种群的个体的第二支配等级序列的步骤：

38、获取第一支配等级序列中的最大支配等级值；

39、利用预测模型预测每个最终种群中所有个体的支配等级预测值；

40、以最大支配等级值作为聚类簇的数量，对支配等级预测值进行聚类得到最终种群的个体对应的预测支配等级；

41、将预测支配等级进行排序得到第二支配等级序列。

42、优选地，代理模型采用克里金代理模型。

43、本发明的有益效果是：

44、本发明在导管螺旋桨的优化过程中应用代理模型辅助的众目标优化算法，不仅考虑到了导管螺旋桨的水动力性能（即推进器的推力以及效率），同时考虑到了导管桨叶的空化性能以及结构强度及振动性能这四种性能参数，然后，将导管螺旋桨的性能参数作为优化目标，并将每组弦长参数作为自变量，构建关于导管螺旋桨的性能参数的目标函数，基于三种进化算法形成的众目标优化算法，在综合考虑导管螺旋桨各项性能指标基础上，能够在有限次数仿真计算下得到的最优弦长参数，基于最优弦长参数即可设计综合性能优异的导管螺旋桨，即本发明通过构建代理模型来近似表示复杂模型或实际问题，大大降低了优化过程的计算成本，在解决高维、众目标的复杂优化问题，从而提高优化结果的准确性。

45、其次，通过计算流体力学（cfd）以及有限元计算（fea）是评估装备水动力性能以及结构强度性能的重要方法。借助代理辅助优化算法以及cfd/fea的高精度仿真性能，在不显著增加真实函数评估的基础上，综合考虑了导管螺旋桨的多项性能指标，对于提高导管螺旋桨的综合性能指标具有重要意义。